劉文瑜，羅衛(wèi)東,2

（1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽 550025；2.貴州大學(xué) 明德學(xué)院，貴陽 550025）

車輛排氣消聲器在運(yùn)行時(shí)內(nèi)部溫度可達(dá)數(shù)百攝氏度，空氣介質(zhì)的密度、聲速等物理量會隨環(huán)境溫度的變化而變化，這時(shí)消聲器的消聲性能就不能作為單一的線性問題來看待。

李國祥等[1]基于傳遞矩陣計(jì)算公式使用CFD軟件計(jì)算了消聲器的內(nèi)部流場分布情況。夏樹昂等[2]提出了在計(jì)算消聲器傳遞損失時(shí)應(yīng)該考慮溫度的影響。葛蘊(yùn)珊等[3]建立了某消聲器的三維模型并分析了聲學(xué)性能，但在分析過程中把內(nèi)部溫度視為一個(gè)恒定的值。劉晨等[4]定性計(jì)算了無氣體流動和有高溫氣體流動時(shí)消聲器的傳遞損失，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證證明溫度對消聲器的消聲性能有影響。董紅亮等[5]考慮了溫度梯度，把求解集中溫度相近的值視為一個(gè)集合，簡化了溫度梯度，并通過軟件計(jì)算了溫度對傳遞損失的影響。

總結(jié)上述文章的缺陷，并考慮了某車型怠速工況下排氣過大的特點(diǎn)，使用建模軟件構(gòu)建了某型號消聲器的三維模型并用Hypermesh劃分結(jié)構(gòu)、流體、聲學(xué)網(wǎng)格；利用Fluent做消聲器的流場分析，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析的正確性；再利用求解得的溫度場作為邊界條件，在LMS Virtual.Lab中求解在溫度場影響下的消聲器傳遞損失。通過對比數(shù)據(jù)，研究消聲器在溫度梯度影響下的性能變化。

1 消聲器建模及網(wǎng)格劃分

1.1 幾何建模

研究對象為某型號的危險(xiǎn)品運(yùn)輸車，消聲器實(shí)物如圖1。搭建的三維模型如圖2。材料屬性如表1所示。

圖1 某型號消聲器

圖2 消聲器三維模型

表1 消聲器材料屬性

1.2 網(wǎng)格劃分

將消聲器三維模型導(dǎo)入Hypermesh進(jìn)行所需的網(wǎng)格劃分。

為了簡化消聲器結(jié)構(gòu)，流體網(wǎng)格采用適應(yīng)性較好的四面體網(wǎng)格；聲學(xué)網(wǎng)格大小有一定的要求，尺寸大小可由式(1)計(jì)算而來：

式中：λ為網(wǎng)格尺寸大小；C為理想空氣的聲速；fMax為聲學(xué)求解的最大頻率。

此次求解最大的頻率為3 000 Hz，所以聲學(xué)網(wǎng)格最大尺寸為18.9 mm，本文取8 mm。劃分好的網(wǎng)格分別導(dǎo)入Fluent和LMS Virtual.Lab，如圖3、圖4。

圖3 流體網(wǎng)格

圖4 聲學(xué)網(wǎng)格

2 溫度場分析與驗(yàn)證

2.1 溫度場分析

由于此車型在怠速時(shí)排氣過大，所以選取怠速工況進(jìn)行分析，怠速時(shí)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為800 r/min，代入式(2)可以求得消聲器進(jìn)口端尾氣速度為6.24 m/s：

式中：Vl為發(fā)動機(jī)排量；n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；D為尾氣進(jìn)口直徑。

在Fluent中分析內(nèi)流場，為了確保湍流需要使用Realizablek-ε模型[6]，這是因?yàn)樵摲匠炭梢院芎玫剡M(jìn)行管內(nèi)流動模擬且能預(yù)測回流區(qū)域并進(jìn)行提醒。

式中：C2=max(η/5+η,0.43)；C1=1.9；αε=1.2；αk=1.0；μt=ρCμk2/ε；ρ為流體密度的均值；xi、xj為位置向量；ui、uj為流體沿xi、xj方向的速度分量；μ為層流黏度；C1、C2、Cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

設(shè)置好Realizablek-ε方程，開啟能量方程，流體區(qū)域設(shè)為不可壓縮空氣，入口采用速度進(jìn)口邊界，出口采用壓力出口邊界與大氣連通，壁面為無滑移剛性壁，與空氣的對流換熱系數(shù)[7]設(shè)為30 W/m2·℃。

仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。尾氣從進(jìn)口端流入，在腔體內(nèi)與空氣進(jìn)行對流換熱，因?yàn)槲矚鈳в幸欢ǖ某跛俣?，消聲器右?cè)壁面無法與進(jìn)入的高溫尾氣充分接觸，所以導(dǎo)致消聲器右側(cè)壁面出現(xiàn)較低的溫度；在出口端，由于有內(nèi)插管的存在，導(dǎo)致尾氣流出的時(shí)候與壁面撞擊產(chǎn)生回流，所以在消聲器左側(cè)壁面會顯示較高的溫度；因?yàn)槌隹诠苡幸欢ń嵌鹊钠D(zhuǎn)，尾氣排出到大氣時(shí)會和偏轉(zhuǎn)的出口管發(fā)生碰撞，導(dǎo)致偏轉(zhuǎn)部位與高溫尾氣充分對流換熱，偏轉(zhuǎn)部分也會呈現(xiàn)較高的溫度。

圖5 XY截面下的溫度場分布

圖6 XY截面下的速度場分布

2.2 仿真準(zhǔn)確性驗(yàn)證

要準(zhǔn)確分析消聲器聲學(xué)性能，前提是要保證溫度場求解結(jié)果的準(zhǔn)確性，現(xiàn)用測量儀器測量消聲器殼體溫度，并把測量溫度與仿真溫度進(jìn)行對比。具體實(shí)施方案是在消聲器殼體上標(biāo)記數(shù)個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)測量3次取平均值即為該點(diǎn)的測量值，測量點(diǎn)位圖如圖7所示。數(shù)據(jù)分析見表2。

圖7 實(shí)物測量點(diǎn)位圖

將表2繪制成圖，結(jié)果如圖8所示，觀察到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)趨勢一致，且最大相對誤差不超過5.1%，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。

圖8 實(shí)驗(yàn)仿真對比

3 聲場分析

從物理學(xué)角度來看，聲速和聲波波長都是溫度的函數(shù)，表達(dá)式可以表示為

式中：c為聲速；c0為0℃時(shí)空氣中的聲速，值大小為331.45；T為開氏氣體溫度；λ為波長；f為頻率；t為攝氏溫度。

溫度升高會讓腔體內(nèi)聲波傳遞速度增加、聲波振動頻率變快，直接導(dǎo)致分子摩擦增強(qiáng)從而使聲波衰減變大。根據(jù)萊特希爾理論，提高基礎(chǔ)聲速會導(dǎo)致氣體再生噪聲功率增加，從而影響消聲器消聲性能。

設(shè)置好隨溫度變化的材料后，在消聲器入口處施加單位振動速度邊界條件，出口處設(shè)為無反射邊界條件，從1 Hz計(jì)算到3 000 Hz，步長為1 Hz，可以計(jì)算出各頻率的消聲器內(nèi)部聲壓分布。由于此消聲器的入口處和出口處面積相同，所以傳遞損失可以有以下推導(dǎo)[8]：

表2 數(shù)據(jù)對比

式中：Win、Wout為入、出口平面聲波的聲功率；p1、p2為入、出口的聲壓；Ain、Aout為入、出口的截面積。

軟件中有相應(yīng)的耦合操作界面，對于幾何形狀相同、網(wǎng)格尺寸不同、節(jié)點(diǎn)不重合的多個(gè)網(wǎng)格模型，可以由插值計(jì)算來實(shí)現(xiàn)耦合多個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算[9]。映射關(guān)系可以定義為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)為圓心的一個(gè)半徑值，在這個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行差值：

式中：PTarget為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)值；Wi為加權(quán)值為源節(jié)點(diǎn)值；di為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)的距離。

先求解常溫常壓下的消聲器傳遞損失，再將求解到的內(nèi)流場文件導(dǎo)入LMS Virtual.Lab中，用網(wǎng)格映射法把聲學(xué)網(wǎng)格和流體網(wǎng)格耦合起來，圖9是求解后的各頻率聲壓圖。

從圖9可以觀察到在200 Hz、2 000 Hz時(shí)，消聲器的聲壓分布已有明顯的變化，這是由于溫度梯度的存在影響了空氣的物理性質(zhì)，直接導(dǎo)致消聲器的傳遞損失發(fā)生變化。

圖9 聲壓圖

然后自定義函數(shù)計(jì)算出在溫度場影響下的傳遞損失。將結(jié)果繪制成圖10。

由圖10可以看到：在溫度場的影響下，傳遞損失對應(yīng)的頻率會往高頻移動，且在2 680 Hz左右出現(xiàn)峰值；低頻段消聲效果減弱，整體衰減約2 dB～3 dB，高頻端消聲效果有增強(qiáng)，整體增大約23 dB。

圖10 仿真結(jié)果

有研究表明抗性消聲器有穿孔結(jié)構(gòu)的穿孔率和穿孔徑大小在低頻段會影響消聲器的傳遞損失[10]。在有溫度影響下該消聲器低頻段的消聲性能減弱，若消聲器噪聲能量集中在低頻段，則在對該消聲器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮添加帶穿孔的隔板或?qū)M(jìn)出口內(nèi)插管進(jìn)行穿孔處理，通過調(diào)整穿孔率和穿孔徑大小就可以增強(qiáng)低頻段消聲器的消聲性能，達(dá)到改善溫度效應(yīng)的目的。

4 結(jié)語

通過對消聲器內(nèi)流場和聲學(xué)性能的仿真計(jì)算，可以得到如下結(jié)論：

（1）用仿真結(jié)合實(shí)驗(yàn)的方法，測量了消聲器殼體的溫度，數(shù)據(jù)對比誤差不超過5.1%，證明了消聲器內(nèi)流場仿真計(jì)算的正確性，為后面溫度場影響下的消聲器聲學(xué)性能的研究奠定了基礎(chǔ)。

（2）網(wǎng)格映射的方法耦合了溫度場和聲學(xué)網(wǎng)格，精確定義了各節(jié)點(diǎn)空氣的物理性質(zhì)，更貼近實(shí)際地考慮了溫度對消聲器聲學(xué)性能的影響。關(guān)于氣體流速對消聲器消聲性能的影響，已經(jīng)有眾多學(xué)者做了相關(guān)研究，氣體流速對消聲器消聲性能的影響實(shí)則不大，在此就不一一贅述。

（3）通過常溫常壓和溫度場影響下的消聲器傳遞損失對比圖可知，溫度會較大程度地影響消聲器消聲性能，且會使消聲器整體消聲頻率往高頻移動，低頻段消聲量降低，在后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中不可忽視溫度因素，且要重點(diǎn)關(guān)注低頻段。